JP5838321B2 - 太陽電池モジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池モジュール及びその製造方法に関する。
近年、環境負荷の小さなエネルギー源として、太陽電池モジュールに対する注目が高まってきている。例えば特許文献１の太陽電池モジュールは、封止材中に配された複数の太陽電池を備えている。複数の太陽電池は、配線材によって電気的に接続されている。配線材は、樹脂接着剤により太陽電池に接続されている。
太陽電池モジュールは、太陽光が入射する場所に設置されるため、太陽電池モジュールの温度が高くなり熱応力を受ける場合がある。一方、太陽電池をモジュール化するラミネート工程においても熱応力が太陽電池モジュールに加わる。従って、太陽電池モジュールの熱応力に対する信頼性をさらに高めたいという要望がある。
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、信頼性の高い太陽電池モジュールを提供することにある。
本発明に係る太陽電池モジュールは、封止材と、複数の太陽電池と、配線材と、樹脂接着剤とを備えている。複数の太陽電池は、封止材中に配されている。配線材は、複数の太陽電池を電気的に接続している。樹脂接着剤は、配線材と太陽電池とを接続している。封止材の太陽電池の少なくとも一方の主面と接している部分は、非架橋性樹脂を含む。樹脂接着剤のガラス転移温度が封止材の非架橋性樹脂を含む樹脂部の融点よりも高い。
本発明に係る太陽電池モジュールの製造方法は、封止材と、封止材中に配された太陽電池ストリングとを備え、太陽電池ストリングが、複数の太陽電池と、複数の太陽電池を電気的に接続している配線材と、配線材と太陽電池とを接着している樹脂接着剤とを有する太陽電池モジュールの製造方法に関する。本発明に係る太陽電池モジュールの製造方法では、封止材の一部を構成するための第１の樹脂シートと、太陽電池ストリングと、封止材の他の一部を構成するための第２の樹脂シートとをこの順番で積層して積層体を作製する。積層体をラミネートすることにより第１及び第２の樹脂シートから封止材を構成し、太陽電池モジュールを得る。積層体のラミネートを樹脂接着剤のガラス転移温度以下の温度で行う。
本発明によれば、信頼性の高い太陽電池モジュールを提供することができる。
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
また、実施形態などにおいて参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態などにおいて参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率などが異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率などは、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
《第１の実施形態》
（太陽電池モジュール１の構成）
図１は、第１の実施形態に係る太陽電池モジュール１の略図的平面図である。図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩにおける略図的断面図である。図３は、図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける略図的断面図である。
（太陽電池モジュール１の構成）
図１は、第１の実施形態に係る太陽電池モジュール１の略図的平面図である。図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩにおける略図的断面図である。図３は、図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける略図的断面図である。
太陽電池モジュール１は、複数の太陽電池ストリング２を有する。複数の太陽電池ストリング２は、一の方向（ｘ方向）に沿って相互に間隔をおいて配列されている。ｘ方向に隣り合う太陽電池ストリング２は、相互に電気的に接続されている。
複数の太陽電池ストリング２のそれぞれは、複数の太陽電池１０を有する。各太陽電池ストリング２において、複数の太陽電池１０は、配線材１１によって電気的に接続されている。具体的には、隣り合う太陽電池１０の一方の電極と他方の電極とが配線材１１により電気的に接続されることにより、複数の太陽電池１０が直列に電気的に接続されている。太陽電池ストリング２において、複数の太陽電池１０は、一の方向（ｘ方向）に対して交差垂直する他の方向（ｙ方向）に沿って相互に間隔をおいて配列されている。このため、太陽電池モジュール１においては、複数の太陽電池１０は、ｘ方向及びｙ方向に沿って相互に間隔をおいてマトリクス状に配されている。
配線材１１は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇなどの金属、Ｃｕ合金、Ａｌ合金、Ａｇ合金などの合金により構成することができる。また、配線材１１は、複数の導電材の積層体であってもよい。
配線材１１と太陽電池１０とは、樹脂接着剤１５により接着されている。樹脂接着剤１５は、例えば、樹脂からなり、導電性粒子を含まないものであってもよい。その場合は、配線材１１と太陽電池１０の電極とを直接接触させる必要がある。また、樹脂接着剤１５は、樹脂中に分散した導電性粒子を含んでいてもよい。その場合は、配線材１１と太陽電池１０の電極とは、直接接触していてもよいし、導電性粒子を介して接触していてもよい。
導電性粒子は、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ等の金属、これらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金からなる粒子、または導電性コーティング膜により被覆された絶縁性粒子などにより構成することができる。絶縁性粒子は、例えば、シリカ、アルミナ等のセラミック粒子または樹脂粒子などにより構成することができる。導電性コーティング膜は、例えば、Ａｇ、Ａｌ等の金属、これらの金属のうちの少なくとも一種を含む合金により構成することができる。
なお、本発明において、樹脂には、フィラーなどの添加物が添加された樹脂組成物が含まれるものとする。
太陽電池１０は、受光面１０ａと裏面１０ｂとを有する（図２及び図３を参照）。ここでは、光が直接入射する側の主面を受光面１０ａとしており、他方の主面を裏面１０ｂとしている。但し、太陽電池１０は、受光面１０ａ及び裏面１０ｂのいずれにおいて受光したときにも発電するものであってもよい。すなわち、太陽電池１０は、裏面１０ｂにおいて受光したときに発電しないものであってもよいし、両面受光型の太陽電池であってもよい。
なお、太陽電池１０の種類は、特に限定されない。太陽電池１０は、例えば、結晶シリコン太陽電池、薄膜シリコン太陽電池、化合物太陽電池、有機薄膜型太陽電池、色素増感太陽電池、量子ドット太陽電池などであってもよい。
複数の太陽電池１０の受光面１０ａ側（ｚ１側）には、受光面保護部材１２が配されている。受光面保護部材１２は、太陽電池１０の発電に寄与する波長の光を透過する部材である。受光面保護部材１２は、例えば、ガラス板、プラスチック板などの剛性板により構成することができる。
複数の太陽電池１０の裏面１０ｂ側（ｚ２側）には、裏面保護部材１３が配されている。太陽電池１０の発電に寄与する波長の光を反射する部材である。裏面保護部材１３は、太陽電池１０側に、太陽電池１０の発電に寄与する波長の光を反射する反射面を有することが多い。両面受光型の太陽電池の場合には、裏面保護部材１３は、太陽電池１０の発電に寄与する波長の光を透過する部材である。
裏面保護部材１３は、可撓性を有するシートにより構成されている。裏面保護部材１３は、例えば、太陽電池１０と反対側から順に、耐候性フィルム、反射層が積層されてなる部材により構成することができる。また、裏面保護部材１３は、例えば、太陽電池１０と反対側から順に、耐候性フィルム及び反射層が積層されてなる部材により構成することもできる。反射層は、金属、合金または白色樹脂などにより構成することができる。また、耐候性フィルムと反射層との間、反射層と透光性フィルムとの間のそれぞれには、接着層が設けられていてもよい。耐候性フィルム、反射層及び透光性フィルムのそれぞれは、単層構造であってもよいし積層構造であってもよい。
受光面保護部材１２と裏面保護部材１３との間には、封止材１４が配されている。封止材１４は、太陽電池１０の発電に寄与する波長の光を透過させる。複数の太陽電池ストリング２は、この封止材１４中に配されている。太陽電池１０の厚み方向であるｚ方向において、この封止材１４のｚ１側（受光面１０ａ側）に受光面保護部材１２が配されており、ｚ２側（裏面１０ｂ側）に裏面保護部材１３が配されている。
本実施形態では、封止材１４は、封止材１４の全体が非架橋性樹脂を含む樹脂部により構成されている。封止材１４の構成材料として好ましく用いられる非架橋性樹脂の具体例としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などのポリオレフィン系樹脂、アイオノマー系樹脂等が挙げられる。
なかでも、ポリオレフィン系樹脂が封止材１４の構成材料としてより好ましく使用される。ポリオレフィン系樹脂により封止材１４を構成した場合は、ポリオレフィン系樹脂は、エチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）よりも含水率が低いため、封止材１４中への水分の浸入をより効果的に抑制することができる。また、ポリオレフィン系樹脂は、ＥＶＡよりも電気的絶縁性が高い。よって、ポリオレフィン系樹脂により封止材１４を構成することにより、太陽電池モジュール１の信頼性を高めることができる。
太陽電池モジュール１では、樹脂接着剤１５のガラス転移温度（Ｔｇ）が非架橋性樹脂を含む封止材１４の融点よりも高い。樹脂接着剤１５のガラス転移温度は、封止材１４の融点よりも１０℃以上高いことが好ましく、２０℃以上高いことがより好ましい。具体的には、封止材１４の融点は、６０℃〜１８０℃であることが好ましく、６０℃〜１２０℃であることがより好ましい。樹脂接着剤１５のガラス転移温度は、１４０℃以上であることが好ましく、１５０℃以上であることがより好ましい。このようなガラス転移温度を有する樹脂接着剤１５を得るのに適した樹脂としては、エポキシ、フェノール、アクリル、イミド、ウレタンなどの少なくともひとつの樹脂を含むことが好ましい。
なお、本発明において、樹脂のガラス転移温度は、Ｔｈｅｒｍｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ（ＴＭＡ）法により測定した値である。なお、ＴＭＡ法の条件は、以下の通りである。測定モード：引っ張り。加重：１ｇ。温度勾配：５℃／分。サンプル形状：フィルム。
ところで、太陽光の照射などに起因して、太陽電池モジュールの温度が上昇し、封止材の温度が封止材の融点よりも高くなってしまう場合もある。例えば、樹脂接着剤のガラス転移温度が封止材の融点よりも低い場合、封止材の温度が封止材の融点よりも高くなると、樹脂接着剤がガラス状態ではあるがクリープ破壊現象が起こり得る状態となり、樹脂接着剤の接着力が低下する。その結果、配線材と太陽電池の応力、封止材の熱膨張に起因する応力により配線材のズレが生じ得る。
それに対して本実施形態では、樹脂接着剤１５のガラス転移温度が封止材１４の融点よりも高い。このため、太陽電池モジュール１が加熱され、封止材１４の温度が封止材１４の融点よりも高くなった場合であっても、樹脂接着剤１５がガラス状態ではあるがクリープ破壊現象が起こり得る状態とならない。よって、配線材１１の位置ズレをより効果的に抑制することができる。従って、信頼性の高い太陽電池モジュールが得られる。
なお、樹脂接着剤１５のガラス転移温度を封止材１４の融点よりも高くする方法としては、樹脂接着剤１５の融点をそのままに、封止材１４の融点を低くすることも考えられる。しかしながら、封止材１４の融点が低すぎると、太陽電池モジュール１が高温になった際に、封止材１４の粘度が低くなりすぎる場合がある。一方、樹脂接着剤１５の融点をそのままに、封止材１４の融点を高くしすぎると、ラミネート時間が長くなり、太陽電池モジュールを製造する時間が長くなる。このため、封止材１４の融点は、６０℃〜１８０℃であることが好ましく、６０℃〜１２０℃であることがより好ましい。
（太陽電池モジュール１の製造方法）
次に、図４を主として参照しながら、太陽電池モジュール１の製造方法の一例について説明する。
次に、図４を主として参照しながら、太陽電池モジュール１の製造方法の一例について説明する。
まず、受光面保護部材１２と、封止材１４の一部を構成するための第１の樹脂シート２１と、太陽電池ストリング２と、第２の樹脂シート２２と、裏面保護部材１３とをこの順番で積層する。これにより、積層体２３を作製する。太陽電池モジュール１では、封止材１４の全体が非架橋性樹脂を含む樹脂部からなる。このため、第１及び第２の樹脂シート２１，２２のそれぞれとして、非架橋性樹脂を含む樹脂シートを用いる。
次に、この積層体２３をラミネートすることにより、第１及び第２の樹脂シート２１，２２から封止材１４を構成する（ラミネート工程）。これにより、太陽電池モジュール１を完成させることができる。
本実施形態では、積層体２３のラミネートを、樹脂接着剤１５のガラス転移温度以下の温度で行う。このため、ラミネート工程においても、樹脂接着剤１５がガラス状態ではあるがクリープ破壊現象が起こり得る状態とならず、樹脂接着剤１５の接着性は保たれたままである。よって、ラミネート工程における配線材１１の位置ズレを抑制することができる。その結果、配線材１１の位置精度が高く、製造歩留りの良い太陽電池モジュールの製造方法で信頼性の高い太陽電池モジュール１を得ることができる。
ラミネート工程における配線材１１の位置ズレをより効果的に抑制する観点からは、積層体２３のラミネートを樹脂接着剤１５のガラス転移温度よりも１０℃以上低い温度で行うことがより好ましく、２０℃以上低い温度で行うことがさらに好ましい。
以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
《第２の実施形態》
図５は、第２の実施形態に係る太陽電池モジュール１ａのｘ方向及びｚ方向に沿った略図的断面図である。
図５は、第２の実施形態に係る太陽電池モジュール１ａのｘ方向及びｚ方向に沿った略図的断面図である。
第１の実施形態では、封止材１４の全体が非架橋性樹脂を含む樹脂部により構成されている例について説明した。
太陽電池モジュール１ａでは、封止材１４は、太陽電池１０の受光面１０ａと接している第１の封止材部１４ａと、太陽電池１０の裏面１０ｂと接している第２の封止材部１４ｂとを含む。第２の封止材部１４ｂは、非架橋性樹脂を含む一方、第１の封止材部１４ａは、例えば架橋剤を含むエチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等の架橋性樹脂を含む。
太陽電池モジュール１ａでは、樹脂接着剤１５のガラス転移温度が第２の封止材部１４ｂの融点よりも高い。このため、太陽電池モジュール１ａが高温になった際に第２の封止材部１４ｂが溶融状態となり、熱膨張係数に起因した応力が配線材１１に加わっても、配線材１１の裏面１０ｂと接着されている部分の位置ズレを抑制することができる。
なお、配線材のうち、剛性を有する基板からなる受光面保護部材側に位置する部分のズレは、封止材部の熱膨張が受光面保護部材によって規制されるため、生じ難い。一方、可撓性を有するシートからなる裏面保護部材側に位置する部分のズレは、封止材部の熱膨張が裏面保護部材によって規制されにくいため、生じ易い。従って、本実施形態のように、第１及び第２の封止材部のうちの一方を非架橋性樹脂を含むものとし、他方を架橋性樹脂を含むものとする場合には、可撓性を有するシートからなる裏面保護部材側に位置する第２の封止材部を、架橋性樹脂を含むものとすることが好ましい。
太陽電池モジュール１ａは、第１の実施形態において説明した方法と略同様の方法により製造することができる。ただし、第１の樹脂シート２１を架橋性樹脂を含む樹脂シートとし、第２の樹脂シート２２を非架橋性樹脂を含む樹脂シートとする点が異なる。太陽電池モジュール１ａの製造に際しても、太陽電池モジュール１の製造と同様に、積層体２３のラミネートを樹脂接着剤１５のガラス転移温度以下の温度、好ましくは、樹脂接着剤１５のガラス転移温度よりも１０℃以上低い温度で行う。このようにすることにより、配線材１１の裏面１０ｂに接着されている部分の位置ズレを抑制することができる。
但し、本発明において、封止材は、太陽電池の少なくとも一方の主面の配線材と接している部分が非架橋性樹脂を含むように構成されている限りにおいて特に限定されない。
尚、本発明はここでは記載していない様々な実施形態を含む。本発明に係る太陽電池モジュールの製造方法においては、封止材の全体が架橋性樹脂を含んでいてもよい。
封止材は、３つ以上の封止材部により構成されていてもよい。
以下、本発明について、具体的な実験例に基づいて、さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実験例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
（実験例）
本実験例では、非架橋性の封止材１４として、融点が１２０℃のポリエチレン（ＰＥ）を用いて上記実施形態に係る太陽電池モジュール１と実質的に同様の構成を有する太陽電池モジュールを作製した。なお、表１に示すように、樹脂接着剤１５のガラス転移温度（ＴＭＡ法により測定した値）を１２０℃〜１５０℃の範囲とした。
本実験例では、非架橋性の封止材１４として、融点が１２０℃のポリエチレン（ＰＥ）を用いて上記実施形態に係る太陽電池モジュール１と実質的に同様の構成を有する太陽電池モジュールを作製した。なお、表１に示すように、樹脂接着剤１５のガラス転移温度（ＴＭＡ法により測定した値）を１２０℃〜１５０℃の範囲とした。
表１では、本実験例の封止材１４とその融点、ラミネート時の封止材１４の温度、樹脂接着剤１５のガラス転移温度、ラミネート後の太陽電池１０から配線材１１がずれる発生率、屋外での太陽電池１０から配線材１１がずれる発生率を示したものである。
表１中のラミネート後の太陽電池１０から配線材１１がずれる発生率は、ラミネート後の５０個の太陽電池モジュールについて配線材１１が太陽電池１０から所定の位置ずれた本数を数えた結果から算出した。
本実験例のラミネート条件は、熱圧着温度を１５０℃とし、真空引き時間・圧着時間をそれぞれ１０分とした。なお、真空引き時間・熱圧着時間はラミネート後に太陽電池モジュール１中の気泡がなくなるようにした。その結果、実験例において封止材部１４の温度が１３０℃となった。
屋外での太陽電池１０から配線材１１がずれる発生率は、後述する屋内試験により求めた。
（屋内試験の詳細）
裏面保護部材１３の中央部に５０ｍｍ角のヒーターを置き、裏面保護部材１３と接する封止材部１４の温度が１４０℃になるまで加熱し、３０分間保持した後に室温（２５℃）まで冷却する工程を１サイクルとして１０サイクル行った後の太陽電池１０から配線材１１がずれる発生率を求めた。
裏面保護部材１３の中央部に５０ｍｍ角のヒーターを置き、裏面保護部材１３と接する封止材部１４の温度が１４０℃になるまで加熱し、３０分間保持した後に室温（２５℃）まで冷却する工程を１サイクルとして１０サイクル行った後の太陽電池１０から配線材１１がずれる発生率を求めた。
本実験例の結果から、封止材の温度をガラス転移温度（ラミネート温度）を樹脂接着剤１５のガラス転移温度以下の温度で行うことにより、ラミネート工程における配線材１１の位置ズレを抑制することができることが分かる。
また、樹脂接着剤１５のガラス転移温度が封止材１４の融点よりも高くすることにより、封止材１４の温度が封止材１４の融点よりも高くなった場合であっても、配線材の位置ズレをより効果的に抑制することができ、信頼性の高い太陽電池モジュールが得られることが分かる。
太陽電池１０と配線材１１とを接続させる樹脂接着剤１５のガラス転移温は、１５０℃以上とすることが特に好ましいことが分かる。
１，１ａ…太陽電池モジュール
２…太陽電池ストリング
１０…太陽電池
１０ａ…受光面
１０ｂ…裏面
１１…配線材
１２…受光面保護部材
１３…裏面保護部材
１４…封止材
１４ａ…第１の封止材部
１４ｂ…第２の封止材部
１５…樹脂接着剤
２１…第１の樹脂シート
２２…第２の樹脂シート
２３…積層体
２…太陽電池ストリング
１０…太陽電池
１０ａ…受光面
１０ｂ…裏面
１１…配線材
１２…受光面保護部材
１３…裏面保護部材
１４…封止材
１４ａ…第１の封止材部
１４ｂ…第２の封止材部
１５…樹脂接着剤
２１…第１の樹脂シート
２２…第２の樹脂シート
２３…積層体
Claims (5)
- 非架橋性樹脂を含む封止材と、前記封止材中に配された太陽電池ストリングとを備え、前記太陽電池ストリングが、複数の太陽電池と、前記複数の太陽電池を電気的に接続している配線材と、前記配線材と前記太陽電池とを接続している樹脂接着剤とを有する太陽電池モジュールの製造方法であって、
前記封止材の一部を構成するための第１の樹脂シートと、前記太陽電池ストリングと、前記封止材の他の一部を構成するための第２の樹脂シートとをこの順番で積層して積層体を作製する工程と、
前記積層体をラミネートすることにより前記第１及び第２の樹脂シートから前記樹脂接着剤のガラス転移温度より融点の低い前記非架橋性樹脂を含む封止材を構成し、前記太陽電池モジュールを得る工程と、
を備え、
前記積層体のラミネート時の前記封止材の温度を前記樹脂接着剤のガラス転移温度より低い温度でラミネートを行う、太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記第１及び第２の樹脂シートのうちの少なくとも一方として、非架橋性樹脂を含む樹脂シートを用いる、請求項１に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記樹脂接着剤は、エポキシ、アクリル、フェノール、ウレタン、及びイミドからなる群から選ばれた少なくともひとつの樹脂を含み、
前記封止材が、ポリオレフィン系樹脂、アイオノマー系樹脂、アクリル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ウレタン系樹脂及びエラストマー系樹脂からなる群から選ばれた少なくともひとつの非架橋性樹脂を含む、請求項１または２に記載の太陽電池モジュールの製造方法。 - 前記樹脂接着剤のガラス転移温度が前記封止材の融点よりも１０℃以上高い、請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
- 前記樹脂接着剤のガラス転移温度が１４０℃以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の太陽電池モジュールの製造方法。
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